JP4648107B2

JP4648107B2 - レーザ装置

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Publication number: JP4648107B2
Application number: JP2005183481A
Authority: JP
Inventors: 博文宮島; 博文菅
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2025-06-23
Also published as: JP2007000897A

Description

この発明は、レーザ装置に関し、特に、レーザ加工に適した強度プロファイルを有するレーザビームを生成するレーザ装置に関する。

従来から、レーザを用いて被加工物を加工することが行われている。例えば、レーザによる金属加工、特に鋼板の溶接は、自動車産業を中心とした多くの産業で幅広く利用されている。図１は、二枚の鋼板７１および７２をレーザ溶接する様子を示している。図１（ａ）に示されるように、ＣＯ_２レーザ溶接やＹＡＧレーザ溶接では、鋼板７１および７２の端部同士を突き合わせ、ほぼ円形の横断面を有するレーザビーム７４を突き合わせ領域７３に照射する。図１（ｂ）は、レーザビーム７４の強度プロファイルを示している。突き合わせ領域７３の長手方向に沿ったＡ軸と、Ａ軸に垂直なＢ軸を有する座標系を設定すると、レーザビーム７４は、Ａ軸方向およびＢ軸方向の双方においてガウシアン形の強度プロファイルを有している。

レーザ溶接用の光源としては、下記の特許文献１に開示されるように、半導体レーザ素子を使用することもできる。通常、半導体レーザ素子から出射するレーザビームは、その速軸方向と遅軸方向とで拡がり角が異なるため、細長い横断面を有している。特許文献１に記載される発明は、複数の半導体レーザ素子からのレーザビームを、それらの横断面の長手方向を互いに異ならせて重ね合わせることで、円形に近い横断面を有する合成ビームを生成する。

このほかに、半導体レーザアレイから出射する高出力（数１００W以上）のレーザビームを用いてレーザ溶接を行うことも可能である。半導体レーザアレイは、遅軸方向に並んだ複数の発光部を有しているため、図１（ｃ）に示されるように、半導体レーザアレイからのレーザビーム７５は矩形の横断面を有している。レーザビーム７５の長径方向を突き合わせ領域７３の長手方向に合致させ、レーザビーム７５をその長径方向に走査することにより、予備加熱および徐冷しながら溶接を行うことができる。これにより熱歪が抑えられるので、高い加工品質が得られる。

図１（ｄ）は、レーザビーム７５の長径方向および短径方向における強度プロファイルを示している。レーザビーム７５の長径方向のプロファイルは、各発光部から出射するレーザビームのガウシアン形のプロファイルが重なり合って形成される。このため、レーザビーム７５は、平坦な頂部を有するトップハット形のプロファイルを長径方向において有する。一方、短径方向のプロファイルは、単一の発光部から出射するレーザビームと同様にガウシアン形である。このようなプロファイルを有するレーザビームは、下記の特許文献２に開示されている。
特開平８−３０９５７４号公報特開２００２−３３５０３５号公報

図２は、図１に示される突き合わせ領域７３の拡大図である。鋼板７１および７２の端部を完全な直線とすることは難しく、曲がっていたり変形していたりすることが多い。このため、二枚の鋼板の端部を突き合わせたとき、両者の間にギャップが生じることがある。このギャップの幅Ｗは非常に不均一（例えば、０〜２００μｍ程度）である。

上記のレーザビーム７４、７５は、突き合わせ領域７３を横切る方向（Ｂ軸方向）に沿ってガウシアン形のプロファイルを有するので、鋼板間のギャップやビーム照射位置のずれに対して許容度が小さい。例えば、レーザビームのうち最も強度の高い部分がギャップに照射されてしまい、その結果、溶接効率が低下して、加工不良を起こすことがある。また、通常、レーザビームの照射位置は、Ｂ軸方向に±５０〜１００μｍ程度の誤差を有するため、照射位置がわずかにずれただけで、レーザビームの高強度部分が突き合わせ領域７３に照射されなくなり、加工不良を起こすおそれがある。

そこで、本発明は、レーザ加工の際に加工不良を起こしにくいレーザビームを生成するレーザ装置を提供することを課題とする。

本発明に係るレーザ装置は、端部同士が互いに突き合わされた被加工物を溶接するためのレーザ装置であって、第１のレーザビームを出射する第１半導体レーザアレイ、第２のレーザビームを出射する第２半導体レーザアレイ、および第３のレーザビームを出射する第３半導体レーザアレイを積層したレーザアレイスタックと、第１ないし第３のレーザビームのうち少なくとも２つのレーザビームを偏向して、第１ないし第３のレーザビームの光軸を互いに傾斜させる偏向手段と、偏向手段から出射する第１ないし第３のレーザビームを集光する集光手段とを備えている。偏向手段から出射する第１ないし第３のレーザビームは、互いに平行な遅軸方向を有している。集光手段は、第１のレーザビームを遅軸方向に垂直な平面内で第１の集光位置に集光すると共に、第２のレーザビームを遅軸方向に垂直な平面内で第２の集光位置に集光し、第３のレーザビームを遅軸方向に垂直な平面内で第３の集光位置に集光する。第１ないし第３の集光位置は、集光手段の光軸および遅軸方向の双方に垂直な方向に沿って互いに等間隔に離間している。第１ないし第３のレーザビームの遅軸方向を被加工物の突き合わせ領域の長手方向に合致させた状態で第１ないし第３のレーザビームを遅軸方向に走査する。

第１ないし第３のレーザビームが、それらの遅軸方向に垂直な方向にずらされて集光されるので、第１ないし第３のレーザビームの強度プロファイルを当該方向に沿って部分的に重ね合わせることができる。これにより、レーザビームの遅軸方向と垂直な方向においてトップハット形の強度プロファイルを形成することができる。第１ないし第３のレーザビームからなる合成ビームは、このような強度プロファイルを有するので、この合成ビームを使用してレーザ溶接などのレーザ加工を行えば、遅軸方向と垂直な方向における被加工物の寸法誤差やビーム照射位置のずれによって加工不良が起きにくくなる。

第１ないし第３の集光位置の間隔は、第１ないし第３の集光位置にそれぞれ集光された第１ないし第３のレーザビームの強度プロファイルが、遅軸方向に垂直な平面内で部分的に重なり合うように定められていてもよい。第１ないし第３のレーザビームの強度プロファイルは、例えば、ガウシアン形であってもよい。強度プロファイルが遅軸方向に垂直な方向に沿ってずれながら部分的に重なり合うことにより、トップハット形の強度プロファイルが形成される。

偏向手段は、第１のレーザビームが入射または出射する第１の面と、第２のレーザビームが入射または出射する第２の面と、第３のレーザビームが入射または出射する第３の面とを有するプリズムであってもよい。第１の面が第１のレーザビームの光軸と成す角度は、第２及び第３の面それぞれが第２及び第３のレーザビームの光軸それぞれと成す角度と異なっていてもよい。これらの角度の違いにより、第２及び第３のレーザビームの光軸を第１のレーザビームの光軸に対して傾斜させることができる。このため、比較的簡易な構成でトップハット形の強度プロファイルを得ることができる。

本発明のレーザ装置は、遅軸方向と垂直な方向においてトップハット形の強度プロファイルを有するレーザビームを生成することができる。このレーザビームを使用してレーザ加工を行えば、遅軸方向と垂直な方向において被加工物の寸法誤差やビーム照射位置のずれが生じても加工不良が起こりにくい。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図３および図４は、本実施形態に係るレーザ装置１０の構成を示す概略平面図および概略側面図である。レーザ装置１０は、光源１１、コリメートレンズ３８、プリズム１４、および集光光学系２０を有している。図４に示されるように、このレーザ装置１０は、一群のレーザビーム３２ａ〜３２ｃからなる合成ビーム３４を出力する。なお、図３および図４において符号３０は、集光光学系２０の光軸を表している。

以下では、理解を容易にするため、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸からなる直交座標系を設定する。ｘ軸は、光源１１における半導体レーザアレイ（後述する）の積層方向に平行であり、ｚ軸は、レーザ装置１０からの光の出射方向に平行であり、ｙ軸は、ｘ軸およびｚ軸の双方に垂直である。

図５は、光源１１の一例を示す分解斜視図である。光源１１は、半導体レーザアレイスタック１２とコリメートレンズ３８から構成されており、ｚ方向に光を出射するように配置されている。レーザアレイスタック１２ａは、複数（本実施形態では９個）の半導体レーザアレイ２７と複数（本実施形態では９個）のヒートシンク２８がｘ方向に沿って交互に積層された構造を有する。

半導体レーザアレイ２７は、ｙ方向に沿って等間隔に並んだ複数の発光部２９を有するレーザ素子であり、レーザダイオードアレイやレーザダイオードバーとも呼ばれる。各発光部２９は、半導体レーザアレイ２７の軸方向（共振器方向）に沿ってレーザビームを出射する。光源１１では、軸方向はｚ軸に平行である。

各発光部２９から出射するレーザビームは、速軸（ファーストアクシス（fast axis））および遅軸（スローアクシス（slow axis））を有している。発光部２９からレーザビームが出射する際、速軸は、半導体レーザアレイ２７のｐｎ接合面に垂直な方向を示し、遅軸は、速軸および半導体レーザアレイ２７の軸方向の双方に垂直な方向を示す。発光部２９から出射するレーザビームは、速軸方向において最大の拡がり角を有し、遅軸方向において最小の拡がり角を有する。光源１１に関しては、速軸方向がｘ軸と平行であり、遅軸方向がｙ軸と平行である。レーザアレイスタック１２における複数の半導体レーザアレイ２７は、速軸方向および遅軸方向が揃うように積層されており、各半導体レーザアレイ２７における複数の光部２９は、遅軸方向に沿って配列されている。

各半導体レーザアレイ２７において複数の発光部２９から出射するレーザビームは、遅軸方向に沿って互いに混ざり合い、１本のレーザビームを成す。図４では、ｘ方向に沿って上から１番目から３番目のレーザアレイ２７から出射する３本のレーザビームを符号３２ｂで表し、４番目から６番目のレーザアレイ２７から出射する３本のレーザビームを符号３２ａで表し、７番目から９番目のレーザアレイ２７から出射する３本のレーザビームを符号３２ｃで表している。レーザビーム３２ａ〜３２ｃの各々の光軸に垂直な断面（横断面）は、発光部２９の配列方向、すなわち遅軸方向に沿って細長い形状（例えば、楕円形）を有している。

図５に示されるように、半導体レーザアレイ２７はサブマウント２６上に搭載されており、サブマウント２６はヒートシンク２８上に設置されている。サブマウント２６およびヒートシンク２８は共に導電性であり、複数の半導体レーザアレイ２７を相互に電気的に接続する。ヒートシンク２８は、半導体レーザアレイ２７を冷却するための部材であり、その一例は、水冷プレートである。各ヒートシンク２８は、階段状の上面を形成する高位部２８ａ及び低位部２８ｂを有している。サブマウント２６および半導体レーザアレイ２７は、低位部２８ｂの先端に搭載されている。以下では、ヒートシンク２８のうち半導体レーザアレイ２７が搭載される部分２８ｃを、レーザアレイ搭載部と呼ぶことにする。

サブマウント２６、半導体レーザアレイ２７およびヒートシンク２８から成る積層構造の両側面は、サイドカバー８１及び８２によって覆われている。また、この積層構造の上下には、方形の上板８３及び底板８４が設置されている。サイドカバー８１及び８２ならびに上板８３の上には、上部カバー８５が設置されている。上板８３、底板８４および上部カバー８５は、導電性の材料から構成されている。通常、上部カバー８５の表面には、半導体レーザアレイ２７に駆動電圧を供給する電極板（図示せず）が設置される。

レーザビーム３２ａ〜３２ｃの各々は、遅軸方向への拡がりは小さいが、速軸方向には比較的大きな拡がり角を有する。そこで、速軸方向の拡がり角を抑えて集光効率を高めるべく、レーザアレイスタック１２の前方に複数（本実施形態では９個）のコリメートレンズ３８が設置されている。コリメートレンズ３８は、ＦＡＣ（Fast Axis Collimator、速軸用コリメータ）とも呼ばれ、半導体レーザアレイ２７から出射するレーザビーム３２ａ〜３２ｃを速軸方向で平行化（コリメート）する。言い換えると、コリメートレンズ３８は、レーザビーム３２ａをその遅軸方向に垂直な平面内で平行ビームに変換する。

なお、コリメート手段を通過したビームは、コリメート手段の設計によっては、厳密な意味で完全には平行化されず、ビームの進行に伴ってわずかに広がり角や狭まり角を有することもある。本明細書において「平行」とは、ビームがこの様なわずかな角度を有する場合、すなわち実質的に平行な場合も含んでいる。

コリメートレンズ３８は、任意の手法によって、レーザアレイスタック１２の前方に固定することができる。例えば、レーザアレイスタック１２の出射面を覆うように透光性のカバー（図示せず）を上板８３及び底板８４に取り付け、そのカバーにコリメートレンズ３８を固定してもよい。

本実施形態では、コリメートレンズ３８として、レンズ面３９を有するシリンドリカルレンズを用いる。レンズ面３９は、遅軸方向に平行な母線を有する円柱面である。コリメートレンズ３８は、レンズ面３９の反対側に平坦な入射面３８ｂを有している。これらの入射面４０は、半導体レーザアレイ２７から出射するレーザビーム３２ａ〜３２ｃの光軸に対して垂直である。これらのコリメートレンズ３８は、速軸方向に沿って等間隔に配列されており、半導体レーザアレイ２７に一対一に対応している。各コリメートレンズ３８は、対応する半導体レーザアレイ２７の出射面の前方に出射面と近接させて設置される。上述のように、半導体レーザアレイ２７から出射したレーザビーム３２ａ〜３２ｃのうち遅軸方向に垂直な成分は、コリメートレンズ３８によってコリメートされる。この結果、図４に示されるように、光源１１は、ｘ方向に沿って平行に配列された一群のレーザビーム３２ａ〜３２ｃを出力する。これらのレーザビーム３２ａ〜３２ｃは、互いに平行な光軸と、互いに平行な遅軸方向を有している。

プリズム１４は、レーザビーム３２ａ〜３２ｃを透過させる材料から構成されており、平坦な入射面１５と、角度の異なる複数の出射面１６ａ〜１６ｃを有している。図６は、スリットミラー１４の出射面１６ａ〜１６ｃを示す図である。入射面１５は、光源１１からのレーザビーム３２ａ〜３２ｃの光軸に垂直である。レーザビーム３２ａは出射面１６ａ、レーザビーム３２ｂは出射面１６ｂ、レーザビーム３２ｃは出射面１６ｃからそれぞれ出射する。出射面１６ａは、レーザビーム３２ａの光軸に対して垂直な平坦面である。したがって、入射面１５に入射した３本のレーザビーム３２ａは、屈折することなく、この出射面１６ａから出射する。一方、出射面１６ｂは、出射面１６ａを含む平面から反時計回りに所定の鋭角αだけ傾斜している。このため、入射面１５に入射した３本のレーザビーム３２ｂは、出射面１６ｂから出射するときに、出射面１６ｂの傾斜角度αとプリズム１４の屈折率に応じた角度で屈折する。この結果、出射面１６ｂから出射するレーザビーム３２ｂの光軸は、レーザビーム３２ａの光軸から時計回りに角度θだけ傾斜することになる。同様に、出射面１６ｃは、出射面１６ａを含む平面から時計回りに所定の鋭角αだけ傾斜しているので、入射面１５に入射した３本のレーザビーム３２ｃは、出射面１６ｃから出射するときに、出射面１６ｃの傾斜角度αとプリズム１４の屈折率に応じた角度で屈折する。この結果、出射面１６ｃから出射するレーザビーム３２ｃの光軸は、レーザビーム３２ａの光軸から反時計回りに角度θだけ傾斜することになる。

このように、プリズム１４は、レーザビーム３２ａ〜３２ｃの遅軸方向と垂直な平面内でレーザビーム３２ｂ、３２ｃを偏向し、レーザビーム３２ｂ、３２ｃの光軸をレーザビーム３２ａの光軸に対して傾斜させる。図４に示されるように、レーザビーム３２ａがｚ軸に平行な光軸を有するのに対し、レーザビーム３２ｂは、レーザビーム３２ａの光軸に対して下向きにθの角度で傾斜した光軸を有し、レーザビーム３２ｃは、レーザビーム３２ａの光軸に対して上向きにθの角度で傾斜した光軸を有する。一方、レーザビーム３２ａ〜３２ｃの遅軸方向は互いに平行なままである。また、図３に示されるように、レーザビーム３２ａ〜３２ｃは、レーザビーム３２ａの速軸方向（ｘ方向）と垂直な平面内で重なり合っている。

プリズム１４から出射したレーザビーム３２ａ〜３２ｃからなる合成ビーム３４は、集光光学系２０に入射する。集光光学系２０は、例えば、単一または複数のレンズから構成されている。図３に示されるように、集光光学系２０は、ｘ軸に垂直な平面内において、合成ビーム３４中のレーザビーム３２ａ〜３２ｃを同じ位置に集光する。また、図４に示されるように、集光光学系２０は、ｙ軸に垂直な平面内では、レーザビーム３２ａ、３２ｂおよび３２ｃを、それぞれ異なる位置Ｐａ、ＰｂおよびＰｃに集光する。言い換えると、集光光学系２０は、レーザビーム３２ａ〜３２ｃのうちそれらの遅軸方向に垂直な成分を、それぞれの集光位置Ｐａ〜Ｐｃに集光する。これらの集光位置Ｐａ〜Ｐｃは、集光光学系２０の焦平面上に配置されている。この例では、レーザビーム３２ａの光軸は集光光学系２０の光軸３０に平行なので、集光位置Ｐａは集光光学系２０の焦点であり、したがって、集光光学系２０の焦平面と光軸３０との交点でもある。

集光位置Ｐａ〜Ｐｃは、レーザビーム３２ａ〜３２ｃの遅軸方向と集光光学系２０の光軸３０の双方に垂直な方向、すなわちｘ方向に沿って互いに等間隔に離間している。図４において破線で示されるように、集光されたレーザビーム３２ａ〜３２ｃは、それぞれ集光位置Ｐａ〜Ｐｃにピークを有するガウシアン形の強度プロファイルを有する。これらの強度プロファイルは、ｘ方向に沿って相互にずれながら重なり合う。その結果、レーザビーム３２ａ〜３２ｃからなる合成ビーム３４は、平坦な上部を有するトップハット形の強度プロファイル７７を有することになる。

隣接する集光位置間の距離は、レーザビーム３２ａ〜３２ｃの光軸間の角度θに依存する。トップハット形の強度プロファイル７７を形成するのに適したθの値は、集光光学系２０の後側焦点距離やレーザビーム３２ａ〜３２ｃの強度プロファイルの形状にも依存するが、通常は、０°＜θ≦２°であり、より好ましくは０°＜θ≦１°である。

以下では、図７を参照しながら、本実施形態の利点を説明する。図７は、レーザビーム３２ａ〜３２ｃからなる合成ビーム３４を用いたレーザ溶接の様子と、集光光学系２０の焦平面上における合成ビーム３４の強度プロファイルを示している。図７（ａ）に示されるように、鋼板７１および７２の突き合わせ領域７３に合成ビーム３４を照射してレーザ溶接が行われる。合成ビーム３４の横断面は、合成ビーム３４中のレーザビーム３２ａ〜３２ｃの遅軸方向（ｙ方向）に沿って長尺である。合成ビーム３４は、その横断面の長手方向が突き合わせ領域７３の長手方向と合致するように照射される。

図７（ｂ）に示されるように、合成ビーム３４は遅軸方向においてトップハット形の強度プロファイル７６を有する。このため、鋼板同士をレーザ溶接する際、合成ビーム３４の遅軸方向（ビーム横断面の長手方向）を突き合わせ領域７３の長手方向に合致させ、合成ビーム３４を遅軸方向に走査することにより、予備加熱および徐冷しながら溶接を行うことができる。これにより、熱歪を抑えて、高い加工品質が得ることができる。

更に、合成ビーム３４は、遅軸方向に垂直な方向（ｘ方向）においてもトップハット形の強度プロファイル７７を有する。強度プロファイル７７の半値幅と裾部の幅（例えば、１／ｅ^２幅）との比率は、ガウシアン形の強度プロファイル７６の同じ比率に比べて、より１に近くなっている。強度プロファイル７７のこの比率、すなわち（１／ｅ^２幅）／半値幅は、好ましくは１以上２以下であり、より好ましくは１以上１．５以下である。

強度プロファイル７７がトップハット形であるため、合成ビーム３４は、鋼板同士をレーザ溶接する際、鋼板間のギャップやビーム照射位置のずれに対して大きな許容度を有する。すなわち、鋼板間に不均一なギャップが存在する場合や、合成ビーム３４の照射位置が最適な位置からｘ方向に沿ってずれている場合でも、加工不良が起きにくくなる。したがって、このレーザビーム３４は、レーザ溶接などのレーザ加工に好適に利用することができる。

第２実施形態
以下では、本発明の第２の実施形態に係るレーザ装置を説明する。第１の実施形態では、レーザアレイスタック１２から出射するレーザビーム３２ａ〜３２ｃの光軸を、プリズム１４を用いて相互に傾斜させる。しかし、本発明に係るレーザ装置は、他の手法によって、複数のレーザビームの光軸を相互に傾けてもよい。

図８は、本実施形態のレーザ装置の構成を示す概略側面図である。本実施形態では、第１実施形態のレーザ装置１０からプリズム１４を取り除き、代わりに、コリメートレンズの角度を調整することによりレーザビーム３２ａ〜３２ｃの光軸を相互に傾ける。図８では、ｘ方向に沿って配列された９個のコリメートレンズのうち上から１番目から３番目を３８ｂ、４番目から６番目を３８ａ、７番目から９番目を３８ｃで表す。これらのコリメートレンズ３８ａ〜３８ｃは、第１実施形態におけるコリメートレンズ３８と同じ構造を有している。コリメートレンズ３８ａ〜３８ｃは、それぞれ平坦な入射面４０ａ〜４０ｃを有しており、各コリメートレンズｃの光軸はその入射面に垂直である。

第１実施形態と同様に、レーザアレイスタック１２からは、互いに平行な光軸を有するレーザビーム３２ａ〜３２ｃが出射し、それぞれコリメートレンズ３８ａ〜３８ｃに入射する。コリメートレンズ３８ａの入射面４０ａは、レーザビーム３２ａ〜３２ｃの光軸に対して垂直であるのに対し、コリメートレンズ３８ｂおよび３８ｃの入射面４０ｂおよび４０ｃは、それらの光軸に対して傾斜している。より具体的には、コリメートレンズ３８ｂの光軸は、入射面４０ｂに入射するレーザビーム３２ｂの光軸から時計回りに所定の鋭角だけ傾斜している。また、コリメートレンズ３８ｃの光軸は、入射面４０ｃに入射するレーザビーム３２ｃの光軸から反時計回りに、コリメートレンズ３８ｂと同じ鋭角だけ傾斜している。この結果、コリメートレンズ３８ｂから出射するレーザビーム３２ｂの光軸は、レーザビーム３２ａの光軸から時計回りに角度θだけ傾斜し、コリメートレンズ３８ｃから出射するレーザビーム３２ｃの光軸は、レーザビーム３２ａの光軸から反時計回りに角度θだけ傾斜する。

このように、コリメートレンズ３８ｂ、３８ｃの角度を調整することで、集光光学系２０に向かうレーザビーム３２ａ〜３２ｃは相互に傾斜した光軸を有することになる。その結果、レーザビーム３２ａ〜３２ｃの遅軸方向に垂直な方向に沿ってトップハット形の強度プロファイル７７を有する合成ビーム３４を、比較的簡易な構成で形成することができる。

第３実施形態
図９は、本実施形態においてレーザビーム３２ａ〜３２ｃの光軸を相互に傾ける手法を示す概略側面図である。本実施形態では、半導体レーザアレイ２７が導電性のサブマウントと導電性のスペーサとによって挟まれる。図９において４６ｂは、ｘ方向に沿って配列されたサブマウントのうち上から１番目から３番目を表し、４６ａは４番目から６番目を表し、４６ｃは７番目から９番目を表す。また、４７ｂは、ｘ方向に沿って配列されたスペーサのうち上から１番目から３番目を表し、４７ａは４番目から６番目を表し、４７ｃは７番目から９番目を表す。半導体レーザアレイ２７は、ヒートシンク２８上に設置されたサブマウント４６ａ〜４６ｃの平坦な上面に搭載されている。また、半導体レーザアレイ２７の上面には、スペーサ４７ａ〜４７ｃが設置されている。半導体レーザアレイ２７は、これらのサブマウントとスペーサを介して相互に電気的に接続されている。

サブマウント４６ａは、ｙｚ平面に平行な上面を有するのに対し、サブマウント４６ｂ、４６ｃは、ｙｚ平面に対して傾斜した上面を有する。より具体的には、サブマウント４６ｂの上面は、ｙｚ平面から時計回りに角度θだけ傾斜し、また、サブマウント４６ｃの上面は、ｙｚ平面から反時計回りに角度θだけ傾斜している。この結果、サブマウント４６ｂの上面に搭載された半導体レーザアレイ２７から出射するレーザビーム３２ｂの光軸は、レーザビーム３２ａの光軸から時計回りに角度θだけ傾斜し、サブマウント４６ｃの上面に搭載された半導体レーザアレイ２７から出射するレーザビーム３２ｃの光軸は、レーザビーム３２ａの光軸から反時計回りに角度θだけ傾斜する。

このように、サブマウント４６ｂおよび４６ｃのレーザ搭載面の角度を調整することで、集光光学系２０に向かうレーザビーム３２ａ〜３２ｃは相互に傾斜した光軸を有することになる。その結果、レーザビーム３２ａ〜３２ｃの遅軸方向に垂直な方向に沿ってトップハット形の強度プロファイル７７を有する合成ビーム３４を、比較的簡易な構成で形成することができる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

上記実施形態では、プリズム１４は、入射してくるレーザビームを偏向するために、そのレーザビームの光軸に対して傾斜した出射面１６ｂ、１６ｃを有する。しかし、プリズムは、入射してくるレーザビームを偏向するために、そのレーザビームの光軸に対して傾斜した入射面を有していてもよい。また、本発明に係るレーザ装置は、プリズム１４の代わりに、他の任意の偏向手段を使用してレーザビームを偏向してもよい。

上記実施形態では、角度の異なる光軸を有する３種類のレーザビーム３２ａ〜３２ｃを用いてトップハット形の強度プロファイルを形成するが、レーザビームの数は任意であり、角度の異なる光軸を有する２種類または４種類以上のレーザビームを用いてもトップハット形の強度プロファイルを形成することができる。

図１は、二枚の鋼板をレーザ溶接する様子を示す図である。図２は、鋼板の突き合わせ領域の拡大図である。図３は、第１の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す概略平面図である。図４は、図３に示されるレーザ装置の概略側面図である。図５は、光源の一例を示す分解斜視図である。図６は、プリズムの出射面を示す図である。図７は、合成ビームを用いたレーザ溶接の様子を示す概略図である。図８は、第２の実施形態の構成を示す概略側面図である。図９は、第３の実施形態の構成を示す概略側面図である。

符号の説明

１０…レーザ装置、１１…光源、１２…レーザアレイスタック、１４…プリズム、１５…入射面、１６ａ〜１６ｃ…出射面、２０…集光光学系、２６…サブマウント、２７…半導体レーザアレイ、２８…ヒートシンク、３２ａ〜３２ｃ…レーザビーム、３４…合成ビーム、３８…コリメートレンズ、４６ａ〜４６ｃ…サブマウント、４７ａ〜４７ｃ…スペーサ

Claims

端部同士が互いに突き合わされた被加工物を溶接するレーザ装置であって、
第１のレーザビームを出射する第１半導体レーザアレイ、第２のレーザビームを出射する第２半導体レーザアレイ、および第３のレーザビームを出射する第３半導体レーザアレイを積層したレーザアレイスタックと、
前記第１ないし第３のレーザビームのうち少なくとも２つのレーザビームを偏向して、前記第１ないし第３のレーザビームの光軸を互いに傾斜させる偏向手段と、
前記偏向手段から出射する前記第１ないし第３のレーザビームを集光する集光手段と、を備え、
前記偏向手段から出射する前記第１ないし第３のレーザビームは、互いに平行な遅軸方向を有しており、
前記集光手段は、前記第１のレーザビームを前記遅軸方向に垂直な平面内で第１の集光位置に集光すると共に、前記第２のレーザビームを前記遅軸方向に垂直な平面内で第２の集光位置に集光し、前記第３のレーザビームを前記遅軸方向に垂直な平面内で第３の集光位置に集光し、
前記第１ないし第３の集光位置は、前記集光手段の光軸および前記遅軸方向の双方に垂直な方向に沿って互いに等間隔に離間しており、
前記第１ないし第３のレーザビームの前記遅軸方向を前記被加工物の突き合わせ領域の長手方向に合致させた状態で前記第１ないし第３のレーザビームを前記遅軸方向に走査する、レーザ装置。
前記第１ないし第３の集光位置の間隔は、前記第１ないし第３の集光位置にそれぞれ集光された前記第１ないし第３のレーザビームの強度プロファイルが、前記遅軸方向に垂直な平面内で部分的に重なり合うように定められている、請求項１に記載のレーザ装置。
前記偏向手段は、前記第１のレーザビームが入射または出射する第１の面と、前記第２のレーザビームが入射または出射する第２の面と、前記第３のレーザビームが入射または出射する第３の面とを有するプリズムであり、
前記第１の面が前記第１のレーザビームの光軸と成す角度は、前記第２及び第３の面それぞれが前記第２及び第３のレーザビームの光軸それぞれと成す角度と異なっている、請求項１または２に記載のレーザ装置。